达芬奇脚踏船原理分析和改进

王欣然

摘要：本文就以达芬奇在500年前的创意机械发明—脚踏船为研究对象，分析了发明的组成、各零件、构件连接关系，整体和主要机构实现的功能和原理。并剖析了发明存在的问题，提出了改进方案，研究阐述了达芬奇发明创意的核心内涵，所提出的改进方案有一定的实际应用效果。

关键词：脚踏往复棘轮

达芬奇的手稿令我们惊叹，仿佛携带着望穿一切的透视眼睛，万物的规则如数字般清晰明了呈现在眼前，他的思想和创意远远超出了那个年代。除了无与伦比的绘画天赋外，达芬奇对创造和机械设计也是天才，在物理方面，达芬奇重新创造了液体压力的概念，提出了连通器事理。

在机械设计方面，他设计了水下呼吸装配、拉动装配、发条传动装配、滚珠装配、反向螺旋、差动螺旋、风速计和陀螺仪等等，他将无数奇思妙想呈现如今世人面前。所以达芬奇机械发明是创意和工程的结晶，他的发明背后的机械原理、设计考量充满智慧、发明背后的产品功能的实现方式仍有现实意义，如今的一些机构、运转方式还在应用。达芬奇脚踏船的设计就是把往复运动变成旋转运动，在如今生活中还有广泛的应用，我在研究脚踏船构造原理等对我专业的学习很有帮助，但有必要站在现代科技视角进行改进设计和再设计。

在研究中参考了2005年清华大学出版社申永胜的《机械原理教程》一书。创新方面是脚踏船只能前进，没有设计后退功能，再就是设计轮轴要有防护罩，这样安全性能、实用性能更高一些。

一、达芬奇脚踏船的组成

脚踏船组成由踏板、传动链、转轮、转轮轴承、内有棘齿的齿轮（一对）、棘齿齿轮转轴、灯笼齿轮（一对）、浆叶转轴、浆叶（一对）、套筒、立杆。

二、构件零件连接关系

传动链与转轮齿合在一起，转轮可视为链轮，踏板与传动链固连，转轮有一个立杆提供铰链支撑，内有棘齿的齿轮与其转轴固连，并由两个立杆提供铰链支撑，浆叶、笼型齿轮固连并由船舷提供铰链支撑。

三、功能原理

链轮/齿轮系将脚踏板运动传递给浆叶，从内有棘齿的齿轮经过笼型齿轮到浆叶是亢余设计使传动平衡平稳，内有一对棘齿的齿轮中的棘轮机构正向传递方向相反，使间歇踩踏变为连续转动。就是双脚连续上下踏动踏板，踏板带动链条来回旋转运动，往复运动通过链轮和棘轮变成旋转运动，传动给灯笼齿轮变向，灯笼齿轮带动浆叶轴旋转，从而船在水面上滑动。这和汽车发动机往复运动变旋转运动不一样，发动机活塞一上一下的上下运动传动给曲轴使往复运动变为旋转运动，输出旋转动力传输给车轮就可以带动汽车跑动起来，都是往复运动变旋转运动的例子。

四、问题

由于当时的局限性等因素，设计缺陷表现为：材料易磨损、易腐蚀、易受潮变形、强度差；转轴与各齿轮之间固连方式不可靠；动静旋转件之间采用套筒减磨方式易磨损；齿轮销柱、笼型齿轮处于冲击工况；棘轮、棘爪受冲击力较大；震动噪音较大寿命短；没有后退装置；轮轴上没有防护保护装置。

五、改进

套筒改为轴承；木质材料改为金属材料；主体结构用螺接或焊接方式固连；将齿轮、笼型齿轮替换为圆锥齿轮；齿型选用渐开线齿廓；将棘轮和棘爪打击处做耐磨处理、加缓冲垫等；转轴与各齿轮、链轮之间用键连接；设计座椅靠背可以用上腰力踩踏踏板。创新方案如下：设计倒退装置，可以实现后退；设计护罩和轴套进行安全防护。

六、推广应用

把水路船改为旱路车，加一个方向机构，把浆叶换成轮子就可以，叫“脚踏车”，首先可以作为游乐场的脚踏游乐车。

七、结论

本报告研究了达芬奇的脚踏车取得了如下结论：

1.达芬奇脚踏船由12个零件组成。

2.核心构件传动链与转轮为铰链连接。

3.内有棘轮的齿轮起到齿轮朝一个方向旋转，实现船平稳前进。

4.脚踏往复运动通过曲轴变为旋转运动。

5.提出的方案可以改进船只能前进不能后退和轴轮安全防护问题。

本论文研究存在倒退装置设计研究不足，下一步将在这方面进行研究完善解决。

参考文献

[1]申永胜机械原理教程[M].清华大学出版社，2005。

[2]ElizabethPalermo宋怡秋达芬奇的五大超前构想[J].新东方英语（中学版）。

[3]佚名揭秘达芬奇设计的十大武器[J].科技与生活，2011，（3）：78-79。

[4]雷辉志发明狂人达芬奇留下的难解之谜[J].芳草（经典阅读），2015，（5）：77-78。

[5]庞明方脚踏摇橹[P].CN101992849.B，2010。